Seagate、ストレージコントローラ向けRISC-Vコアを独自開発

Seagateは今週、2つのRISC-V汎用コアを開発したと発表しました。これらのコアは、同社のストレージデバイス向け次世代コントローラをはじめ、データセンターやエッジにおけるリアルタイム分析の高速化など、幅広いアプリケーションに活用されます。コアの1つは高性能設計、もう1つは面積と消費電力を最適化した設計となっています。

ストレージのコンピューティング能力が向上

現代のストレージの重要な点の 1 つは、非常に計算集約的であることです。

ハードディスクドライブ（HDD）およびソリッドステートドライブ（SSD）のコントローラーは、通常、信号のデコード、ECCアルゴリズムの処理、または動作制御アルゴリズムの実行など、リアルタイム処理が可能な複数の汎用コアを搭載しています。3D NANDは、アーキテクチャ（セルあたりのビット数の増加）や段階的な変更（層数の増加）によって高密度化が進み、HDDプラッターのトラック密度も向上しています。そのため、SSDおよびHDDコントローラーはより多くのデータをリアルタイムで処理する必要があり、そのためコンピューティングリソースに対する需要が高まっています。今後、ストレージ内処理の普及に伴い、ストレージデバイスを支えるSoCには、さらに高いコンピューティング能力が求められるようになります。

Seagate社は、昨年10億個近くのプロセッサコアを出荷したと発表しており、現在の傾向を踏まえると、今後その数は増加する可能性が高い。Seagate社は現在どのコアを使用しているか詳細を明らかにしていないが、おそらく既製のArmコアを使用しているのだろうと推測できる。これらのコアは今日のニーズを満たす十分な性能と機能を備えており、ストレージ内処理ワークロードに対応できる次世代コアも存在する。しかし、Seagate社とWestern Digital社（RISC-Vを採用している）が独自のコア開発を選択したのには、おそらく3つの理由がある。

まず、企業は自社製品の差別化と新機能の迅速な実装を目指し、コアとシステムオンチップ（SoC）を自社のニーズに合わせてカスタマイズしたいと考えています。次に、製品ロードマップをより適切に管理したいと考えており、昨今シリコンの重要性が高まっていることから、その開発を自社で行うのは当然のことです。さらに、年間10億個のコアは、自社コア開発を経済的に正当化するのに十分な規模です。

SeagateのRISC-Vポートフォリオ

現在、Seagate の RISC-V ポートフォリオには、異なるワークロードとアプリケーションを対象とした、高性能コアと面積/電力が最適化されたコアの 2 つのコアが含まれています。

Seagateの高性能RISC-Vコアは、現在使用されているコントローラと比較して、リアルタイムでクリティカルなHDDワークロードにおいて3倍のパフォーマンスを提供すると言われています。さらに、このコアはRISC-Vのすべてのセキュリティ機能をサポートしています。Seagateは、このコアが、高度なサーボ（モーションコントロール）アルゴリズムによって実現される、より微細なアクチュエータ/ヘッドの位置決めを必要とする、非常に高いトラック密度を備えた次世代HDDに不可欠であると述べています。
さらに、このコアはリアルタイムデータ分析などのワークロードにも使用できます。シーゲイトはこのコアの開発に約5年を費やし、すでにシリコンに実装されています。
Seagateの面積と消費電力を最適化したコアは、主に補助タスクやバックグラウンドタスクの実行に加え、セキュリティが重視されるエッジコンピューティング処理（量子暗号を含む）の実行を目的として設計されています。このコアは機能セットに基づいて構成できるため、小型化や消費電力の削減、あるいは特定の機能の追加が可能です。このコアはまもなくテープアウトされます。

Seagateは、コアの正確な性能数値や、それらを実装するために使用されている（または使用される予定の）プロセス技術をまだ公表していません。ただし、これらのコアは、駆動するアプリケーションの種類に依存しないため、HDDコントローラとSSDコントローラの両方に使用できるだけでなく、それだけに限らないことは分かっています。

Tom's Hardware の最高のニュースと詳細なレビューをあなたの受信箱に直接お届けします。

50TB以上のHDD、5ビット/セルフラッシュ、次世代IoTを実現

Seagate は、2026 年までに熱アシスト磁気記録 (HAMR) 技術に基づく 50TB ハードドライブが登場すると予測しています。

これらのHDDは、1インチあたり100万トラック（TPI）を超えるトラック密度を誇ります。このようなTPI密度を実現するために、ハードドライブには、新しいコーティング材を使用したガラスプラッター、新しいヘッド、新しい多段アクチュエータ、新しいサーボ機構などが必要になります。プラッターとヘッドは、現在出荷されているSeagateの20TB HAMR HDDとほぼ同等です。一方、新しいアクチュエータとモーションコントロールには、2.4nmの位置決め精度を実現する新しいヘッド位置決めアルゴリズムが採用されています。

「これは、この容量にアクセスするために用いられる位置決め技術にとって大きな課題となります」と、シーゲイトの最高技術責任者であるジョン・モリス氏は、バーチャルRISC-Vサミットで述べた。「50TBでは、読み書きトランスデューサはディスク上を毎秒2.5メートルの速度で移動できなければなりません。また、2.4ナノメートルの半径許容誤差で位置決めし、ヘッドメディアの垂直方向の間隔をオングストローム以内で制御する必要があります。この課題は、しばしば制御不能な外部、機械的、音響的な外乱に対応する必要があることを考えると、さらに重要になります。この課題を解決するには、多段アクチュエータの機械設計と、リアルタイムプロセッサによって実現されるサーボ技術の両方において革新が必要です。」

タスクをさらに困難にしているのは、これらのアルゴリズムが非常に計算負荷が高く、リアルタイムで実行する必要があることです。そのため、Seagateの高性能RISC-Vコアに最適なアプリケーションとなっています。一方、3.5インチHDDベイには電力とTDPの制約があるため、HDDコントローラは非常に高い電力効率が求められます。Seagateのコアは、十分なパフォーマンスを提供するだけでなく、非常に高い電力効率も備えている必要があります（ただし、正確な数値は存在しません）。

「これらのサーボアルゴリズムはますます複雑になっています」とモリス氏は述べた。「長年培ってきた精密モーション制御の専門知識と、適応制御および予測制御の限界への挑戦に基づいて構築されたこれらの計算は、厳密に結合されたタイミング要件と、電力、スペース、コストの厳しい制約の中で実行する必要があります。」

現在、SeagateはSSDにサードパーティ製のコントローラを使用しており、自社製プロセッサについては発表していません。一方、4bpc/3D QLCや5bpc 3D NANDといった新興の3D NANDメモリでは、信頼性と寿命を向上させるために、現在使用されているものよりも高度なECCアルゴリズムを備えたコントローラが必要になることは避けられません。SeagateのRISC-Vコアも、SSDコントローラに採用される可能性があります。

HDDヘッドの正確な位置決めやNANDセルからのデータ取得は、今日、適切なコントローラが実行する唯一のワークロードではありません。様々なセンサーや機械によってより多くのデータが自動的に生成され、自律的な意思決定システムが導入されるにつれて、脆弱なエンドポイントセキュリティによる不正なデータ操作のリスクが高まり、セキュリティ強化が求められています。SeagateとWestern Digitalは、シリコンRoT（Root of Trust）チップ向けの透明性の高いリファレンスデザインと統合ガイドラインを構築する初のオープンソースプロジェクトであるOpenTitanのメンバーです。

「将来のデータストレージインフラのセキュリティを大幅に向上させるように設計されたオープンな信頼のルートの可能性を認識しています」とモリス氏は述べた。

セキュリティは明らかに、Seagate が面積と電力を最適化したコアを構築したアプリケーションの 1 つであるため、OpenTitan をサポートするさまざまな種類のストレージデバイスにこれが使用されることが予想されます。

SeagateのRISC-V搭載HDD

シーゲイトは、RISC-V 発表の一環として、仮想 RISC-V サミット 2020 で、高性能 RISC-V コアをベースにしたシステムオンチップで駆動するハードドライブのデモを行いました。

SeagateはRISC-V対応HDDについて多くの詳細を明らかにしなかったが、「業界をリードする容量」を特徴とし、「量産可能なシリコン」を搭載していると述べた。これはかなり漠然とした説明であり、様々な憶測を呼ぶ可能性がある。しかし、今回のデモはSeagateとRISC-Vにとって重要な証となるだろう。

ストレージ内処理とリアルタイム分析

現在、ストレージ内処理 (ISP または In-situ) 機能を備えたソリッドステートドライブは多くありませんが、このテクノロジ自体は、CPU から一部のワークロードをオフロードすることでプロセッササイクルを節約し、処理の待ち時間を減らし、I/O 帯域幅を節約できるため、非常に有望です。

リアルタイムデータ分析や機械学習といった多くの新興アプリケーションにとって、パフォーマンス、レイテンシ、そして消費電力は極めて重要です。ISPはデータ分析を1000倍高速化できると推定されており、これは科学計算にとって大きなメリットとなります。

「ロスアラモス国立研究所では、計算ストレージを用いて処理をデータの近くに移すことで、データ分析や科学的発見の方法に大きな変化が起こり始めています」と、ロスアラモス国立研究所のシニア研究科学者、ブラッド・セトルマイヤー氏は述べています。「コンピューティングとストレージを緊密に統合することで、永続的なデータ変換を実現し、データ分析を1000倍高速化できます。これにより、主要な計算層の負担が大幅に軽減されます。私たちは、ベンダーと提携し、計算ストレージなどの重要な業界イニシアチブに積極的に参加することで、ミッションニーズに応える効率性の向上を目指し、今後も努力を続けていきます。」

Seagate は、RISC-V コアは計算ストレージデバイス用に設計されたカスタム SoC にも使用できると述べているが、具体的な SoC や今後の製品については詳しく述べていない。

結論

Seagateは、様々なストレージアプリケーション向けに多様なカスタムSoCを設計する計画を示す2つのRISC-Vコアを開発しました。これらのSoCは、同社の今後の大容量HDD、ストレージ内処理機能の有無を問わず次世代SSD、そしてOpenTitanをサポートするセキュアストレージデバイスに特に重要な役割を果たすでしょう。

自社設計のRISC-Vコアにより、Seagateは自社のニーズに合わせて処理能力を調整し、新機能を迅速に実装することで、競合他社にはない独自の製品を開発することが可能になります。さらに、RISC-Vはロイヤリティフリーのオープンソース・アーキテクチャであるため、SeagateはArmに技術使用料を支払う必要がなくなり、コスト削減にもつながります。

アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。

Hardware